電動兩輪車騎車人緊急避讓姿態對損傷風險的影響研究*

韓 勇，林麗雅，何 勇，潘 迪，蔡鴻瑜，彭 倩，馮 浩

（1. 廈門理工學院機械與汽車工程學院，廈門 361024；2. 廈門大學航空航天學院，廈門 361005；3. 司法部司法鑒定重點實驗室（司法鑒定科學研究院），上海 200063）

前言

近年來，電動兩輪車群體增長迅速，碰撞事故也越發頻繁。基于中國交通事故深入研究（China indepth accident study，CIDAS）統計數據顯示，二、三輪車事故占比達60%以上。根據中國統計年鑒，2018和2019 年電動二輪車發生事故占道路交通事故總數的比例分別達到了9.68%和10.81%。

關于行人和兩輪車騎車人運動學及損傷機理已經進行了諸多研究。自1970 年以來，大多數研究工作都集中在減少因車輛撞擊直接造成的行人傷害上。結果表明，最嚴重的損傷部位是頭部，其次是胸部、骨盆和下肢，并指出車輛碰撞速度和車輛前部結構是影響行人運動學和傷害嚴重性的兩個主要因素。然而，行人在與車輛發生初次碰撞后最終與地面發生二次碰撞。近10 年來，許多研究人員開始關注由地面撞擊引起的行人二次損傷，發現在實際事故中行人與地面撞擊造成的傷害也非常嚴重。目前評估頭部損傷的標準有兩類，一類是基于頭部運動學，包括頭部損傷準則（head injury criterion，HIC）、腦損傷標準（BrIC，BRIC）、腦損傷閾值的廣義加速模型（generalized acceleration model for brain injury threshold，GAMBIT）和頭部碰撞能量（head impact power，HIP）；另一類是基于腦組織應力應變的損傷準則，包括最大主應變（max principle strain，MPS）、累積應變損傷變量（cumulative strain damage measure，CSDM）、Von-mises 應力、剪切應力、顱內壓力和擴張損傷度量（dilation damage measure，DDM）。常見的下肢評價標準有股骨和脛骨的彎矩、軸向的壓縮力、剪切力和Von-mises應力。

隨著道路監控視頻的增多，越來越多的學者開始基于事故視頻信息分析道路弱勢群體（vulnerable road users，VRU）的碰撞前姿態和碰撞后的運動響應。Han 等通過完整的事故視頻分析了VRU 的預碰撞行為，發現超過一半的VRU 在遇到危險時表現出一些緊急避讓的反應，例如各種緊急避讓姿態。研究表明，不同的碰撞前姿態會導致頭部和下肢不同的損傷，但目前的研究主要集中在正常姿態，對碰撞前緊急避讓姿態的研究很少。

本文中根據市場調查建立了一款典型的電動兩輪車有限元模型，并采用了豐田中央研發中心開發的THUMS4.02 人體有限元模型和經過驗證的卡羅拉汽車有限元模型，進行騎車人不同緊急避讓姿態下的汽車-電動兩輪車的碰撞仿真，研究不同車輛碰撞速度和電動兩輪車騎車人不同緊急避讓姿態對其運動學響應和落地損傷風險的影響。

1 方法與材料

1.1 汽車-騎車人有限元碰撞模型

采用2012 款豐田卡羅拉汽車有限元模型。該模型包含64 個結構部件，241 979 個單元和191 100個節點，整車質量為1 239 kg。該汽車模型通過了頭錘模型以35 km/h 的速度撞擊發動機罩和行人下肢沖擊器以40 km/h 的速度撞擊保險杠的模型驗證實驗。結果表明，該模型能模擬車輛前部結構的力學特性，可用于騎車人碰撞仿真研究。考慮到計算效率，對不影響分析結果的汽車后部有限元模型進行簡化處理，采用集中質量替代簡化部分的質量，最后獲得簡化的汽車前部結構有限元模型。

電動兩輪車有限元模型為中國典型的電動兩輪車車型，通過實際測量獲得幾何尺寸和質量，使用三維軟件建模，再導入有限元前處理軟件進行精密網格劃分，并賦予材料屬性等。該電動兩輪車有限元模型包含56 685 個單元和43 232 個節點，質量為53.6 kg。

采用豐田中央研發實驗室有限公司開發的THUMS（total human model for safety）Ver. 4.02 第50百分位成人男性人體有限元模型模擬騎車人，身高175 cm，體質量77 kg。該模型頭部和顱內軟組織的相關材料特性已經過全面驗證，可分析腦組織損傷和顱骨骨折風險。同時，THUMS 下肢模型可以模擬騎車人下肢骨折損傷。其運動學響應特性與尸體實驗結果吻合較好。

根據VRU-TRAVi（VRU traffic accident database with video）中二輪車事故視頻信息，對騎車人在碰撞前的緊急避讓姿態進行統計分析，基于統計結果選擇3 種典型緊急避讓姿態：被撞側腳著地（struck foot landing，SFL）、非 被 撞 側 腳 著 地（nonstruck foot landing，NSFL）和雙腳著地（landing on both feet，LBF）。通過對THUMS 有限元模型施加力-位移曲線的方法調整騎車人姿態，共調整4 種騎車人姿態（圖1）。

圖1 騎車人有限元模型

1.2 碰撞仿真矩陣

根據VRU-TRAVi 數據庫的二輪車事故研究，汽車與電動兩輪車發生碰撞時，汽車速度在20～50 km/h 范圍內，電動兩輪車速度在10～30 km/h 范圍內。據統計，汽車前部與兩輪車側面碰撞是最常見的事故類型。為保證騎車人損傷均由地面碰撞引起，碰撞位置選取電動兩輪車前后輪的中軸線在汽車右側，離汽車中心線847 mm的位置，如圖2所示。

圖2 汽車-電動兩輪車有限元模型

在LS-DYNA R11.1 環境中進行了8 組仿真，探究不同姿態騎車人在不同車速下的落地損傷風險。表1 為仿真條件，設定汽車車速低速20 km/h、高速40 km/h，兩輪車車速為15 km/h。

表1 仿真實驗設計

1.3 騎車人損傷評價指標

研究表明，在兩輪車事故中，頭部是騎車人最脆弱的部位，大多數損傷類型是顱骨骨折。頭部線性加速度是顱骨骨折發生的重要原因，而局灶性腦損傷和彌漫性腦損傷的發生與旋轉加速度密切相關。Shi 等通過15 項損傷指標分析了10起深度事故中騎車人落地碰撞中頭部損傷情況。結果表明：角加速度、線性加速度、HIC、顱內正壓力、CSDM和MPS 對于AIS 4+頭部損傷風險具有很好的預測能力。損傷等級（abbreviated injury scale，AIS）通常用于評估腦損傷的程度，嚴重的腦損傷被歸類為AIS 4+。并用尸體實驗測得的脛骨和股骨皮質骨的平均屈服應力（分別為129 和114 MPa）作為評估下肢損傷風險的參考。

據此，本文中采用峰值角加速度（peak angular acceleration，PAA）、峰值線性加速度（peak linear acceleration，PLA）、HIC、顱 內 正 壓 力（C. P.）、CSDM和主應變MPS 6 項指標綜合評估重度腦損傷風險，以Von-mises 應力值評估騎車人下肢的骨折損傷風險。

2 結果分析

2.1 運動學分析

圖3 為車速是20 km/h 時，不同姿態騎車人每隔約200 ms 的碰撞運動學響應。電動兩輪車騎車人與汽車碰撞時，汽車保險杠右前端與電動兩輪車尾部接觸碰撞，使電動兩輪車以碰撞點為中心發生順時針旋轉。隨后，騎車人因離心力脫離電動兩輪車，最后與地面或電動兩輪車發生碰撞。

圖3 車速20 km/h兩輪車騎車人運動學響應

正常姿態騎車人在電動兩輪車受到撞擊側翻后，在慣性驅使下整體呈現一個前傾趨勢，并在電動兩輪車的約束下發生翻轉，致使騎車人頭部右側與地面發生碰撞。與正常姿態不同的是：緊急避讓姿態SFL 和LBF 與電動兩輪車約束較大，騎車人趴坐于電動兩輪車上，頭部沒有與地面發生碰撞。緊急避讓姿態NSFL騎車人順時針旋轉270°，頭部前側與地面接觸。

圖4 為碰撞速度是40 km/h 時，不同姿態騎車人每隔約150 ms 的碰撞運動學響應。電動兩輪車尾部受到汽車沖擊力而急劇側翻，騎車人上半身在慣性驅使下仍保持原先前進的狀態，下半身由于受到電動兩輪車的約束致使騎車人整體有一個繞腳面旋轉的趨勢，隨后髖部與行駛的汽車右翼子板發生短暫摩擦，上半身在接觸點發生較大旋轉，整個人體呈現落地態勢，下肢與側翻的電動兩輪車碰撞，上半身進一步加劇旋轉，致使騎車人頭部以近乎垂直的角度直接沖向地面，造成嚴重的頭部損傷。與正常姿態不同的是：緊急避讓姿態SFL 騎車人下肢與電動兩輪車相互作用力較小，致使騎車人由于慣性力更早落地。緊急避讓姿態NSFL 騎車人左腿受到汽車碰撞電動車傳遞的力，使騎車人發生較大轉動，胸部與電動兩輪車把手發生碰觸，以平拋姿態落地，較其他姿態更晚與地面發生碰撞。緊急避讓姿態LBF 騎車人在450 ms時，右肩與地面發生接觸，隨后頭部與地面發生劇烈撞擊。

圖4 車速40 km/h兩輪車騎車人運動學響應

2.2 騎車人頭部損傷風險分析

為研究不同緊急避讓姿態對騎車人頭部損傷風險的影響，計算不同姿態騎車人頭部損傷，并進一步研究正常姿態和緊急避讓姿態的頭部損傷差異。首先計算4 種不同姿態（正常姿態、SFL、NSFL、LBF）的6 個頭部損傷標準值。然后，將頭部AIS 4+ 閾值為標準值，并設定為1，對4 種姿態騎車人受到的頭部損傷，依照標準化進行重新設定。

圖5 所示為不同姿態騎車人的頭部損傷對比。在車速為20 km/h時，正常姿態騎車人頭部損傷大部分指標超過了重度腦損傷發生的閾值。騎車人在緊急避讓姿態NSFL 的PAA 值降低了50%以上，其余各指標均有一定的降低。緊急避讓姿態LBF 和SFL的頭部損傷遠低于閾值，這是由于LBF和NSFL騎車人腿部與電動兩輪車有較大約束，導致碰撞后騎車人落于電動兩輪車上，頭部未與地面發生碰撞，與真實事故視頻中的運動學一致（圖6）。在車速為40 km/h時，所有姿態的頭部落地損傷均超過嚴重腦損傷發生的閾值，其中LBF的頭部損傷風險最高。

圖5 不同緊急避讓姿態頭部損傷對比

圖6 緊急避讓姿態真實事故場景

2.3 騎車人下肢損傷風險分析

在碰撞事故中，除頭部損傷外，下肢損傷作為一種常見的損傷部位也被廣泛研究。本文中選取4 種碰撞前姿態進行仿真分析，通過比較不同姿態騎車人股骨和脛骨的Von-mises 應力，來評估騎車人下肢損傷風險。股骨和脛骨的Von-mises 應力損傷評估參考值分別為114和129 MPa。

圖7 為被撞側和非被撞側騎車人腿部脛骨和股骨皮質骨最大Von-mises 應力。在車速為20 km/h時，各姿態下騎車人被撞側股骨Von-mises應力均在60 MPa 左右，無顯著差異；而非被撞側股骨，SFL 應力最小，這是由于正常姿態下肢沒有約束，碰撞后騎車人拋出慣性大，而騎車人SFL 碰撞后被撞側腿接收部分能量，非被撞側腿相對自由，股骨損傷風險最低，而SFL姿態脛骨在落地過程中與電動兩輪車發生撞擊，損傷風險最高。騎車人LBF的應力分布相對平均，這是由于被撞側與非被撞側的腿與電動兩輪車的約束較大，低速時造成下肢損傷風險由電動兩輪車引起。各姿態騎車人下肢損傷風險均未達到閾值。

圖7 騎車人腿部脛骨和股骨的最大Von-mises應力

在車速為40 km/h 時，3 種緊急避讓姿態均達到閾值，有骨折風險。正常姿態下騎車人下肢損傷風險最低。這是由于緊急避讓姿態騎車人的腿部均有較大約束，易與車輛和地面接觸，造成下肢損傷。緊急避讓姿態NSFL，被撞側股骨在電動兩輪車側翻后與汽車翼子板產生較大撞擊，導致其應力最大（119.5 MPa），且超過皮質骨斷裂閾值，非被撞側股骨在慣性運動中未與汽車發生接觸，發生骨折風險最低。在SFL姿態下，兩側脛骨的應力均超過閾值。

3 結論

（1）騎車人碰撞前不同緊急避讓姿態對其運動學響應有顯著影響，導致騎車人落地損傷風險不同。

（2）低速碰撞（20 km/h）時，正常姿態騎車人頭部損傷風險較緊急避讓姿態更高。高速碰撞（40 km/h）時，各姿態騎車人頭部均與地面發生較大沖擊，頭部損傷大幅超過閾值，有嚴重顱腦損傷風險。

（3）低速碰撞（20 km/h）時各姿態下肢損傷較低，其中緊急避讓姿態SFL 脛骨損傷風險最大。高速碰撞（40 km/h）時，正常姿態騎車人由于下肢受到電動兩輪車的約束較小，總的來說，損傷風險最低。因此，碰撞前采取緊急避讓姿態不能減輕騎車人下肢傷害的風險。

（4）本文的研究結果為提高汽車碰撞電動兩輪車騎車人的安全性設計提供理論參考。